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刚玉-镁铝尖晶石炉衬的应用 
(发布日期:2012/5/14 9:46:06)
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 在硅溶胶精铸工艺生产中,常用的感应电炉容量均小于350㎏,大多为100至150㎏容量的快速熔炼炉,主要是熔炼合金钢,由于精密铸造对合金的熔炼不属于完整的冶炼过程,而是用化学成合格的或基本合格的且很纯净合金料进行快速重熔,为保证合金液的纯净除要十分重视炉料的纯净度外,对直接接触合金的炉衬材料的要求要严格,由于合金在熔化过程中被氧化污染的源头是炉衬、炉料和大气三个方靣,因而对炉衬材料的要求是,纯净度高、杂质少、高温下不污染钢液,且其软化点高于合金的最高熔化温度,使用寿命长。表1为适于作炉衬的几种耐火材料旳主要性能。這些材料除石英外大多是通过电熔或高纯原料高温煅烧而成,杂质含量低,适于精密铸造非真空感应熔炼电炉使用,可根据熔炼的合金种类进行选择。

  

  1. 镁质材料炉衬

  目前囯内硅溶胶工艺精铸生产中常用的炉衬材料是氧化镁质材料,表1中电熔镁砂是由精选的菱镁石或高纯的轻烧镁在电弧炉或电渣炉中熔融,氧化镁中的杂质被熔化成低熔点的熔渣而去除,氧化镁熔体冷却后形成方镁石晶体,再经破碎即为电熔镁砂,其氧化镁含量特级的可达98%以上。另一种海水镁砂是用海水(含氯化镁及硫酸镁)与消化石灰进行反应形成氢氧化镁,经过滤干燥后,再轻烧后制成团粒状,在回转窑中经1700-1800℃重烧而成具有方镁石晶体的颗粒料,它的纯度高、密度大、组织均匀且体积变化相对小些,优于电熔镁砂。从表1可知这两种镁砂具有高的熔点和软化点,因而能满足精密铸造各种合金钢的熔化需要,而且镁砂中杂质含量极少,方镁石在高温下也极为稳定,故此炉衬材料不会污染合金,但是在实陈使用中也发现它的两点不足:①由于镁砂的热膨胀系数大,抗热震性差,这种材料捣固的坩埚在冷热交替的工况下,其一是被烧结的表层易产生裂纹,宽大的裂纹必须细心修补,细小裂纹在再次熔化时,先需用小功率加热,使坩埚烧结层受热膨胀而弥合裂纹后才能大功率熔化合金,否则合金液容易渗入裂缝造成穿炉;其二是由于炉衬的未烧结层的镁砂反复受热反复膨胀,至使炉衬未烧结层由紧实变疏鬆,可观察到炉面逐渐上凸,因而在后续的熔化中,炉衬熔蚀加快,从而降低了炉衬寿命;②由于镁砂属于碱性炉衬,易与炉料带入的硅酸盐及氧化铁等反应,如果熔炼过程中用石灰等碱性造渣剂时,则会与上述外来物形成融渣如表2中1-5的物质,可以撇出炉外,但因精铸的熔炼都是快速重熔,没按正规程序造碱性石灰渣,炉料带入的硅酸盐及氧化铁等在熔炼过程的高温下将直接与镁砂坩埚的表面反应,生成如表2中6-8的铁酸镁和镁橄榄石等物质,其生成物熔点略高于钢液,故粘附在坩埚壁和炉底上,而不易清除,即所谓氧化镁炉衬挂渣严重,炉壁显得不乾净,炉壁粘附熔渣增厚,炉底逐渐垫高,炉子容量会逐渐变小,同时不干净的炉衬会污染再次熔炼的钢液。

  

  2.刚玉-镁铝尖晶石炉衬

  2.1.刚玉作炉衬材料的特点。刚玉为αAl2O3,晶体结构,按其制造方法分为电熔刚玉和板状刚玉,前者是将氧化铝原料经电弧炉高温熔融,冷却后形成αAl2O3晶体,在剔除杂质融体后破碎加工而成,后者是用高纯的氧化铝原料制成球形后轻烧,再在竖窑中经1800-1900℃的高温烧结,完成αAl2O3的再结晶过程,冷却后进行破碎加工,晶体尺寸大,呈平板状交错排列,故称板状刚玉,它显气孔率低,结实致密且氧化钠含量低,其性能优于电熔刚玉。从表1中可知刚玉的软化点足以滿足铸钢熔化的需要,而且热膨胀系数低,克服了氧化镁质材料的不足;三氧化二铝属于两性化合物,能抵抗一般的酸性或碱性熔渣的侵蚀,但不适于高碱度的炉渣,由于精密铸造的合金熔化采用快速重熔,也很少出现这类炉渣,故刚玉炉村最大的优点是不易挂渣,炉壁乾净不污染钢液;但氧化铝的软化点不及氧化镁,故在热炉连续熔化的加料时,不要用力冲撞炉衬,美囯等发达囯家铸钢行业的感应电炉炉衬广泛釆用刚玉质材料。

  2.2.新型的合成炉衬材料。镁铝尖晶石是冶金和工业用炉行业中,新型的优质的合成耐火材料,它的分子式为MgAl2O4,是MgO-Al2O3二元相图中唯一的化合物,其中MgO的质量分数为28.2%,Al2O3的质量分数为71.8%,从表1中可知它的熔点和软化点略高于刚玉,而热膨胀系数更低,抗热震性更好,将MgO和Al2O3粉料混匀在1600℃以上高温可形成尖晶石,以硼酸作矿化剂加入后可降低其烧结温度。由于其优良的高温性能,特别适合炉衬温度变化频繁的感应电炉熔炼。

  2.3.以刚玉为骨料,以镁铝尖晶石为连接桥的新型炉衬配方。炉衬材料的组成都是由粗细不同的颗粒材料进行合理级配组成骨料,其目的是提高其紧实密度,依靠骨料抵御高温侵蚀,达到提高炉衬的使用寿命,此外配料中还要加入一定量的细粉料,它填充着大小颗粒料之间的间隙,在高温下这些细粉料会先于颗粒料烧结,形成三维网状结构,连结着大小颗粒骨料,使炉衬成为致密的整体结构。从中可以看出改善起连结桥作用的网状结构的材质将会提高炉衬的整体寿命,故在氧化镁质的炉衬材料中可以加入少量刚玉粉,而在刚玉质的炉衬材料中可以加入一定量的电熔镁粉,其目的就是为了形成镁铝尖晶石的连接桥网络。表3为刚玉-镁铝尖晶石炉衬的配方。

  

  另加硼酸0.5%,作矿化剂,促进铝镁尖晶石形成。

  配料时先将刚玉粉和电熔镁粉充分拌匀,再加入两种0-1段砂充分拌匀,然后将硼酸过100目筛或加少量热水溶化后拌入,经充分搅拌后再将其余的刚玉砂加入拌合作为《乾打法》筑炉的材料,炉领部位一般不接触钢液,但经常会受到加料时人为的冲击,故需增加其乾强度,炉领部位的材料可在原筑炉材料中再加10%左右粉料,并加少量水玻璃粘结剂,硼酸量也可增加至0.8%-1%。炉衬在使用100多炉后,可能局部有熔蚀现象,应用类似的同种粉料、细粒材料和粘结剂调合的修补料修补,目前已有商品可用,如95A炉体修补耐火坭的使用方便,效果就很好。筑炉的具体操作详见《感应炉坩埚乾打法操作程序》。

  3.镁铝尖晶石炉衬的应用体会

  东营嘉扬精密金属有限公司的浇铸车间有150㎏快速感应炉 9台,过去一直采用电熔镁砂粉乾打法筑打炉衬,从2010年7月开始使用板状刚玉砂粉和电熔镁砂粉自配镁铝尖晶石筑炉料,使用中有如下实际体会。

3.1. 两种炉衬的数据对比

  

  3.2. 两种炉衬使用过程中对炉壁的观察

  

  镁砂炉衬表面粗糙、有沟壑,熔炼碳钢炉壁粘附熔渣增厚,熔炼量变小,在操作中需要不锈钢和碳钢类交替熔炼。

  

  镁铝尖晶石炉衬光滑,熔蚀均匀,熔炼碳钢时也没有变小迹象,熔炼量不断加大,不受材质限制。

  3.3. 两种炉衬修补维护的差别

  ①镁砂炉使用过程中需要重新筑4-5次炉嘴,1次需要30公斤镁砂粉,基本全是热炉时筑,既费时又费材料,增加人工;而镁铝尖晶石炉最多只筑1次炉嘴,既节约了时间,又省了材料。

  ②镁砂炉产生裂缝不容易修补,而镁铝尖晶石炉用同种细粒材料的专用修补泥修补,结合效果非常好。

  3.4.镁铝尖晶石炉衬的不足

  ①由于刚王-镁铝尖晶石软化点比氧化镁低,故高温下炉壁较软,加料时需要注意,否则容易碰撞出凹坑。

  ②刚玉-镁铝尖晶石炉衬抗高温性不如镁砂炉衬,熔炼温度超过1700℃时,炉衬寿命会缩短。

  附件        感应炉坩埚乾打法操作程序

  1.筑炉准备

  a.用压缩空气吹净感应圈上的灰尘,脏物。

  b.向感应圈内通入0.2Mpa的冷却水,检查是否渗漏。

  c.在炉内侧及底部铺上一层石棉布。

  2.筑炉底

  a.把混配好的炉衬材料填入感应圈内,填入厚度60mm-70mm。

  b.先用专用工具捣锤,捣实到均匀致密。

  c.在捣制下一层之前,将表面划松再铺上50mm-60mm炉衬材料,均匀捣实。如此重复多次,直至捣紧面在感应圈1-2匝之间。

  d.再用专用工具平锤,进一步捣压均匀致密、紧实。

  3.筑炉壁

  a.将坩埚样模外侧,用砂纸打磨干净,去除全部铁锈及油污。

  b.将外表清洁的坩埚样模置入感应圈内的炉底上,并对准感应圈中心,用测量工具测量、调整、摆正后用压铁或专用工具将坩埚样模压稳。

  c.把坩埚样模与石棉布之间的炉底材料划松,装入30mm-40mm厚的炉衬材料,其厚度应均匀一致。

  d.先用专用工具捣扞均匀用力捣实,再用捣锤进一步均匀用力捣实,表面划松后再装入炉衬料,如此重复进行,直至离坩埚样模顶20mm-30mm为止。

  4.筑炉领、出钢口

  在炉领与出钢口上刷一层水玻璃,用混制好的炉领材料打筑结实,之后再涂刷一层水玻璃,将坩埚样模内的压铁取出。

  5.炉衬的烘烤与烧结

  a. 装炉料,第一炉最好熔化浇注碳钢及铸件质量要求不高的产品。

  b. 通水、送电、开始通电输入功率50-60kw,缓慢升温。在800℃左右时保温适当时间(大于30min),让筑炉材料中的微量水份及结晶水消失。

  c. 增大至最大功率,使最初装入的材料熔化,再继续加入炉料,直至金属液升高至离坩埚样模顶口10mm处即达到炉领部位,金属液升温至1680-1700℃,保温≥30min,使炉衬得到充分烧结。

  d. 对金属液进行预脱氧,调整成分,除渣,终脱氧,浇注。

  e. 最好进行连续作业,以便使炉膛烧结良好。

  6.自制坩埚模样、筑炉专用工具见附图。

  

   (中国铸造协会精铸分会 周泽衡 李祖雄、东营嘉扬精密金属公司 陈亚辉 段继东)

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